KR101162567B1 - Silicon carbide and method of fabricating thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 실리콘카바이드 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로는 폴리카보실란과 실리콘 나노분말을 이용하여 잔존 카본량이 적고 결정화도가 높으며, 폴리카보실란의 고온 유동성을 이용하여 보다 효율적으로 고순도의 결정성이 우수한 실리콘카바이드를 제조하는 방법을 제공하는 것이다. The present invention relates to silicon carbide and a method for manufacturing the same, and specifically, a polycarbosilane and a silicon nano powder, the amount of residual carbon is low, the crystallinity is high, and the high purity crystalline of polycarbosilane is used more efficiently. It is to provide a method for producing this excellent silicon carbide.

실리콘카바이드, 폴리카보실란, 실리콘 나노분말 Silicon Carbide, Polycarbosilane, Silicon Nanopowder

Description

실리콘카바이드 및 이의 제조방법{SILICON CARBIDE AND METHOD OF FABRICATING THEREOF}Silicon Carbide and Manufacturing Method Thereof {SILICON CARBIDE AND METHOD OF FABRICATING THEREOF}

본 발명은 실리콘카바이드 및 이의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to silicon carbide and a method of manufacturing the same.

탄소/탄화규소(C/SiC) 복합체, 탄화규소/탄화규소(SiC/SiC) 복합체는 높은 열전도도, 우수한 내식성 내마모성, 낮은 열팽창율 및 경량으로 인하여 항공우주 부품, 자동차 디스크브레이크, 차세대엔진부품, 열병합 발전용 가스터빈 부품 및 열교환기 등으로 응용하기 위하여 연구 개발이 진행되고 있다. Carbon / silicon carbide (C / SiC) composites and silicon carbide / silicon carbide (SiC / SiC) composites are characterized by high thermal conductivity, excellent corrosion resistance, abrasion resistance, low thermal expansion and light weight, resulting in aerospace parts, automotive disc brakes, next generation engine parts, Research and development is underway for applications in gas turbine components and heat exchangers for cogeneration.

도 1은 일반적인 탄소/탄화규소(C/SiC) 복합체의 단면을 측정한 전자현미경사진이다. 이러한 C/SiC 복합체, 및 SiC/SiC 복합체를 제조하는 방법으로 현재 가장 많이 사용되는 것으로는 화학증기침투법(CVI: Chemical Vapor Infiltration)과 고분자 함침 열분해법(PIP: Polymer Infiltration and Pyrolysis)을 들 수 있다. 1 is an electron micrograph of a cross section of a typical carbon / silicon carbide (C / SiC) composite. The most commonly used methods for producing such C / SiC composites and SiC / SiC composites include Chemical Vapor Infiltration (CVI) and Polymer Infiltration and Pyrolysis (PIP). have.

이 두 기술은 전구체의 분해에서 생기는 실리콘카바이드(silicon carbide; SiC)로 프리폼 사이의 기공을 채우는 일반적인 원리를 기초로 한다. Both techniques are based on the general principle of filling the pores between preforms with silicon carbide (SiC) from the decomposition of precursors.

CVI 공정은 프리폼 내에 고순도 결정형 SiC를 증착시키는 반면 PIP는 폴리실란, 폴리실록산, 폴리카보실란, 폴리실라잔과 같은 무기고분자를 프리폼 사이에 침 투시키고 열분해하는 공정으로 미량의 산소와 비정질의 SiC로 채워진다. The CVI process deposits high-purity crystalline SiC in the preform, while the PIP is a process in which inorganic polymers such as polysilane, polysiloxane, polycarbosilane and polysilazane are infiltrated and pyrolyzed between the preform and are filled with trace amounts of oxygen and amorphous SiC. .

경제적으로 더 저렴한 공정으로 알려진 PIP 기술은 무정형의 유리상을 가짐에 따라서 CVI복합물 보다 더 낮은 열기계적 성질을 가진 낮은 순도의 SiC를 제조하는 단점을 가지고 있다. PIP technology, known as an economically less expensive process, has the disadvantage of producing low purity SiC with lower thermomechanical properties than CVI composites as it has an amorphous glass phase.

본 발명은 폴리카보실란과 실리콘 나노분말을 이용하여 잔존 카본량이 적은 결정상의 실리콘카바이드 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 폴리카보실란의 고온 유동성을 이용하여 보다 효율적으로 고순도의 결정성이 우수한 실리콘카바이드를 제공하는 것이다. The present invention relates to a crystalline silicon carbide having a small amount of carbon remaining using polycarbosilane and silicon nano powder, and a method of manufacturing the same. More specifically, the high purity crystallinity is more efficiently utilized by using the high temperature fluidity of polycarbosilane. It is to provide excellent silicon carbide.

본 발명의 일 구현예는 폴리카보실란, 실리콘 나노분말 및 용매를 혼합하여 폴리카보실란 용액을 제조하는 단계(S1); 상기 S1 단계 후 프리폼을 상기 폴리카보실란 용액에 함침하는 단계(S2); 상기 S2 단계 후 함침한 프리폼을 150 내지 300℃에서 30분 내지 1시간 동안 열경화하는 불용화 단계(S3); 및 상기 S3 단계 후 열경화한 프리폼을 1200 내지 1800℃에서 1 내지 3 시간 동안 열처리하는 소성 단계(S4);를 포함하는 실리콘카바이드의 제조방법이다. One embodiment of the present invention is to prepare a polycarbosilane solution by mixing polycarbosilane, silicon nanopowder and a solvent (S1); Impregnating the preform into the polycarbosilane solution after the step S1 (S2); An insolubilization step (S3) of thermosetting the impregnated preform after the step S2 for 30 minutes to 1 hour at 150 to 300 ° C; And a calcining step (S4) of heat-treating the preform heat-cured after the step S3 for 1 to 3 hours at 1200 to 1800 ° C .;

본 발명의 다른 일 구현예는 상기 폴리카보실란은 폴리페닐카보실란인 실리콘카바이드의 제조방법이다. Another embodiment of the present invention is a method for producing silicon carbide, wherein the polycarbosilane is polyphenylcarbosilane.

본 발명의 다른 일 구현예는 상기 폴리페닐카보실란은 중량평균분자량이 2000 내지 6000인 실리콘카바이드의 제조방법이다. Another embodiment of the present invention is a polyphenylcarbosilane is a method for producing silicon carbide having a weight average molecular weight of 2000 to 6000.

본 발명의 다른 일 구현예는 상기 실리콘 나노분말은 평균입경이 20 내지 30㎚를 가지는 실리콘카바이드의 제조방법이다. Another embodiment of the present invention is a silicon nano powder is a method for producing silicon carbide having an average particle diameter of 20 to 30nm.

본 발명의 다른 일 구현예는 상기 폴리카보실란 용액은 폴리카보실란 20 내 지 50중량%, 실리콘 나노분말 5 내지 20중량% 및 용매 30 내지 75중량%를 포함하는 실리콘카바이드의 제조방법이다. Another embodiment of the present invention is a polycarbosilane solution is a method for producing silicon carbide containing 20 to 50% by weight of polycarbosilane, 5 to 20% by weight of silicon nanopowder and 30 to 75% by weight of a solvent.

본 발명의 다른 일 구현예는 상술한 제조방법에 따라 제조한 실리콘카바이드를 제공하는 것이다.Another embodiment of the present invention is to provide a silicon carbide prepared according to the above-described manufacturing method.

본 발명에 따른 실리콘카바이드 및 이의 제조방법은 폴리카보실란과 실리콘 나노분말을 이용하여 잔존 카본량이 적고 결정화도가 높으며, 폴리카보실란의 고온 유동성을 이용하여 보다 효율적으로 고순도의 결정성이 우수한 효과를 가진다. Silicon carbide according to the present invention and a method for producing the same by using a polycarbosilane and silicon nanopowder has a small amount of residual carbon and high crystallinity, and has an effect of excellent crystallinity of high purity more efficiently by using high temperature fluidity of polycarbosilane. .

본 발명의 일 구현예는 폴리카보실란, 실리콘 나노분말 및 용매를 혼합하여 폴리카보실란 용액을 제조하는 단계(S1); 상기 S1 단계 후 프리폼을 상기 폴리카보실란 용액에 함침하는 단계(S2); 상기 S2 단계 후 함침한 프리폼을 150 내지 300℃에서 30분 내지 1시간 동안 열경화하는 불용화 단계(S3); 및 상기 S3 단계 후 열경화한 프리폼을 1200 내지 1800℃에서 1 내지 3 시간 동안 열처리하는 소성 단계(S4);를 포함하는 실리콘카바이드의 제조방법이다. One embodiment of the present invention is to prepare a polycarbosilane solution by mixing polycarbosilane, silicon nanopowder and a solvent (S1); Impregnating the preform into the polycarbosilane solution after the step S1 (S2); An insolubilization step (S3) of thermosetting the impregnated preform after the step S2 for 30 minutes to 1 hour at 150 to 300 ° C; And a calcining step (S4) of heat-treating the preform heat-cured after the step S3 for 1 to 3 hours at 1200 to 1800 ° C .;

먼저, 폴리카보실란, 실리콘 나노분말 및 용매를 혼합하여 폴리카보실란 용액을 제조한다(S1). First, polycarbosilane, silicon nanopowder and a solvent are mixed to prepare a polycarbosilane solution (S1).

상기 폴리카보실란으로는 폴리메틸카보실란, 폴리메틸페닐카보실란, 폴리페닐카보실란 및 폴리비닐카보실란으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 들 수 있다. The polycarbosilane may be any one selected from the group consisting of polymethyl carbosilane, polymethylphenyl carbosilane, polyphenyl carbosilane and polyvinyl carbosilane.

도 2는 본 발명에 따른 폴리페닐카보실란의 구조를 개략적으로 도시한 것이다. 상기 도 2에서 보는 바와 같이 상기 폴리페닐카보실란은 실리콘이 메틸렌에 의하여 연결되어 있고 말단에는 열적 안정성이 우수한 페닐기를 가지고 있어 400℃까지 열적으로 안정하며 물리적 성질이나 화학적 성분상의 변화가 없으며 핵산, 싸이클로 핵산, 톨루엔, 테트라하이드로퓨란, 벤젠, 클로로포름 등의 유기용매에 잘 녹아 고분자 함침 및 열분해 재료로 사용이 가능하다. Figure 2 schematically shows the structure of a polyphenylcarbosilane according to the present invention. As shown in FIG. 2, the polyphenylcarbosilane has a phenyl group which is silicone-connected by methylene and has excellent thermal stability at the end thereof, and thus is thermally stable up to 400 ° C., and does not change in physical properties or chemical components, and does not have a nucleic acid or a cycle. Soluble in organic solvents such as nucleic acid, toluene, tetrahydrofuran, benzene, chloroform, etc., and can be used as a polymer impregnation and pyrolysis material.

상기 폴리페닐카보실란의 전구체로는 특별히 한정되지는 않으며, 예를 들면, 페닐트리클로로실란, 디페닐디클로로실란, 폴리디메틸실란, 폴리메틸페닐실란 등을 이용하여 제조할 수 있다. 이들 중 바람직하게는 폴리메틸페닐실란을 이용하여 제조할 수 있으며 이에 의한 폴리페닐카보실란의 제조방법은 본 발명이 속한 분야에서 널리 알려진 방법 중 임의로 선택하여 실시할 수 있으며, 한국특허 제10-2006-17755호를 참조하여 설명하면 다음과 같다. It does not specifically limit as a precursor of the said polyphenyl carbosilane, For example, it can manufacture using phenyl trichlorosilane, diphenyl dichlorosilane, polydimethylsilane, polymethylphenylsilane, etc. Among them, polymethyl phenyl silane may be preferably used, and the method for preparing polyphenyl carbosilane may be arbitrarily selected from methods well known in the art to which the present invention pertains, and Korean Patent No. 10-2006- The following description is made with reference to 17755.

먼저, 질소 등의 불활성 분위기하에서, 페닐메틸디클로로실란을 알칼리 금속, 바람직하게는 나트륨 금속으로 축합 반응시켜 폴리메틸페닐실란을 제조한다. First, polymethylphenylsilane is produced by condensation reaction of phenylmethyldichlorosilane with an alkali metal, preferably sodium metal, under an inert atmosphere such as nitrogen.

구체적으로는, 불활성 분위기하에서 크실렌(Xylene), 테트라하이드로퓨란(Tetrahydrofuran, THF), 톨루엔(Toluene) 등의 용매에 나트륨 금속을 잘게 썰어 넣은 후 가열 교반하여 나트륨 금속을 완전히 분산시키고, 여기에 페닐메틸디클로로실란을 주입 후 가열하여 중합체를 형성한 다음 잔여 금속 나트륨 및 용매를 제거함으로써 제조할 수 있다. Specifically, in an inert atmosphere, the sodium metal is finely chopped in a solvent such as xylene, tetrahydrofuran (THF), toluene, and the like, followed by heating and stirring to disperse the sodium metal completely, where phenylmethyl Dichlorosilane can be prepared by injecting and heating to form a polymer and then removing residual metal sodium and solvent.

제조한 폴리메틸페닐실란을 고온 가압반응기를 이용하여 폴리페닐카보실란으 로 전환할 수 있다. 전환 반응온도는 300 내지 350℃가 바람직하며 400 내지 450℃에서 중합함으로써 코팅에 적합한 분자량을 갖는 폴리페닐카보실란을 제조할 수 있다. The prepared polymethylphenylsilane may be converted to polyphenylcarbosilane using a high temperature pressurized reactor. The conversion reaction temperature is preferably 300 to 350 ° C, and polyphenylcarbosilane having a molecular weight suitable for coating can be prepared by polymerization at 400 to 450 ° C.

상기 폴리페닐카보실란은 중량평균분자량이 2000 내지 6000인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 2500 내지 4000을 가지는 것이 좋다. 상기 폴리페닐카보실란의 분자량이 클수록 열처리 후 높은 세라믹수율을 얻을 수 있으나 분자량이 6000을 초과하면 폴리페닐카보실란이 핵산 등의 유기용매에 완전히 용해되지 않는 문제가 있다. 상기 폴리페닐카보실란의 분자량이 2000 미만인 경우는 세라믹 수율이 낮아 복합체를 고밀도화 하는데 많은 시간이 소요된다. The polyphenyl carbosilane preferably has a weight average molecular weight of 2000 to 6000, more preferably 2500 to 4000. The larger the molecular weight of the polyphenyl carbosilane, the higher the ceramic yield can be obtained after heat treatment. However, if the molecular weight exceeds 6000, the polyphenyl carbosilane may not be completely dissolved in an organic solvent such as nucleic acid. When the molecular weight of the polyphenylcarbosilane is less than 2000, the ceramic yield is low, so that it takes a long time to increase the density of the composite.

상기 실리콘 나노분말은 평균입경이 20 내지 30㎚를 가지는 것이 바람직하다. The silicon nano powder preferably has an average particle diameter of 20 to 30 nm.

상기 실리콘 나노분말은 상기 범위 내에 있는 경우 폴리페닐카보실란용액에 잘 분산되는 장점이 있다. The silicon nano powder has the advantage of being well dispersed in the polyphenyl carbosilane solution when it is in the above range.

또한, 본 발명에서는 실리콘을 나노분말 형태로 사용하고 있는데, 표면적이 크기 때문에 잔존카본과 쉽게 반응하여 실리콘카바이드로 전환되는 장점을 가질 수 있는 것이다In addition, in the present invention, silicon is used in the form of nanopowder, and since the surface area is large, it may have an advantage of easily reacting with the remaining carbon and converting it into silicon carbide.

상기 용매로는 유기용매로서 특별히 한정되지는 않으며 핵산, 싸이클로핵산, 테트라하이드로퓨란, 벤젠 등을 들 수 있다. The solvent is not particularly limited as an organic solvent, and examples thereof include nucleic acid, cyclonucleic acid, tetrahydrofuran and benzene.

상술한 폴리카보실란, 실리콘 나노분말 및 용매를 통상의 방법으로 혼합하여 폴리카보실란 용액을 제조한다. The polycarbosilane, the silicon nanopowder, and the solvent described above are mixed in a conventional manner to prepare a polycarbosilane solution.

상기 폴리카보실란 용액은 폴리카보실란 20 내지 50중량%, 실리콘 나노분말 5 내지 20중량%, 바람직하게는 5 내지 10중량% 및 용매 30 내지 75중량%를 포함한다. The polycarbosilane solution comprises 20 to 50% by weight of polycarbosilane, 5 to 20% by weight of silicon nanopowder, preferably 5 to 10% by weight and 30 to 75% by weight of solvent.

상기 폴리카보실란의 함량이 상기 범위 내에 있는 경우 유동성이 좋아 프리폼에 침투하기가 용이한 장점이 있다. When the content of the polycarbosilane is within the above range, there is an advantage that it is easy to penetrate the preform having good fluidity.

상기 실리콘 나노분말의 함량이 상기 범위 내에 있는 경우 폴리페닐카보실란용액에 잘 분산되는 장점이 있다. 특히, 실리콘 나노분말의 함량이 20중량%를 초과하면 실리콘 나노분말이 폴리페닐카보실란 용액에 분산되지 않고 침전되는 문제가 있다When the content of the silicon nano powder is in the above range there is an advantage that it is well dispersed in a polyphenyl carbosilane solution. In particular, when the content of the silicon nano powder exceeds 20% by weight, there is a problem that the silicon nano powder is precipitated without being dispersed in the polyphenylcarbosilane solution.

상기 용매의 함량이 상기 범위 내에 있는 경우 유동성이 좋은 용액을 제조할 수 있는 장점이 있다. When the content of the solvent is within the above range there is an advantage that can be prepared a good fluidity solution.

이어서, 프리폼을 상기 폴리카보실란 용액에 함침하는 단계를 실시한다(S2).Subsequently, impregnating the preform into the polycarbosilane solution is performed (S2).

상기 프리폼으로는 카본 프리폼 또는 실리콘카바이드 프리폼 등을 들 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. The preform may include a carbon preform or a silicon carbide preform, but is not limited thereto.

상기 함침공정은 본 발명이 속한 분야에서 널리 알려진 통상의 방법에 따라 실시할 수 있다. 상기 S2 단계 후 함침한 프리폼을 150 내지 300℃, 바람직하게는 150 내지 200℃에서 30분 내지 1시간 동안 열경화하는 불용화 단계를 실시한다(S3).The impregnation process may be carried out according to a conventional method well known in the art. After the step S2 is carried out an insolubilization step of thermosetting the impregnated preform for 30 minutes to 1 hour at 150 to 300 ℃, preferably 150 to 200 ℃ (S3).

이때 불용화 단계는 공기 중에서 이루어지는 것이 산소와 반응이 용이하여 Si-O-Si 결합 형성에 의해 불용화 가능하다는 면에서 바람직하다. In this case, the insolubilization step is preferable in that it can be insolubilized by forming an Si—O—Si bond because it is easily reacted with oxygen.

상기 온도 범위가 상기 범위 내에 있는 경우 폴리페닐카보실란 경화가 가능한 최소한 온도라는 장점을 가지며, 상기 열경화를 상기 시간의 범위 내에서 실시하는 경우 폴리페닐카보실란 경화가 가능한 최소한 시간이라는 장점이 있다. When the temperature range is within the above range, the polyphenylcarbosilane has the advantage of being the minimum temperature that can be cured, and when the thermosetting is carried out within the time range, the polyphenylcarbosilane has the advantage of being the minimum time that can be cured.

상기 S3 단계 후 열경화한 프리폼을 1200 내지 1800℃에서 1 내지 3 시간 동안 열처리하는 소성 단계를 실시한다(S4). After the step S3 is performed a baking step of heat-treating the heat-cured preform for 1 to 3 hours at 1200 to 1800 ℃ (S4).

상기 소성 단계는 잔존 카본이 실리콘 나노분말과 반응하여 결정질 실리콘카바이드로 전환하는 역할을 하는 것으로 상기 온도 및 시간의 공정조건으로 실시하는 경우 최소한으로 열처리 조건으로 결정질 실리콘카바이드로 전환하는 장점이 있다. The sintering step serves to convert the remaining carbon into crystalline silicon carbide by reacting with the silicon nanopowder, and has the advantage of converting the crystalline silicon carbide to heat treatment conditions to a minimum when the process conditions are performed at the temperature and time.

본 발명의 다른 일 구현예에 따르면, 상술한 제조방법에 따라 제조한 실리콘카바이드를 제공하는 것이다. According to another embodiment of the present invention, to provide a silicon carbide prepared according to the above-described manufacturing method.

상기 실리콘카바이드는 규소원자 대 탄소원자의 원소함량(at%) 비율이 1:1 내지 1.3인 것이 바람직하다. The silicon carbide preferably has an element content (at%) ratio of silicon atoms to carbon atoms of 1: 1 to 1.3.

상기 실리콘카바이드는 규소원자 대 탄소원자의 원소함량(at%) 비율이 상기 범위 내에 있는 경우 고온 내산화성이 증진되는 장점을 가진다. 이를 구체적으로 설명하면, 본 발명에서는 실리콘 나노분말을 사용하는데, 이러한 이유는 400oC 미만에서 산화가 진행되는 잔존 카본을 제거하고 내산화성이 우수한 결정질의 실리콘카바이드만을 생성시키기 때문에 상기 범위를 가지게 되며, 이로 인하여 고온 내산화성이 증진되는 효과를 얻을 수 있는 것이다. The silicon carbide has the advantage that the high temperature oxidation resistance is enhanced when the element content (at%) ratio of silicon atoms to carbon atoms is within the above range. Specifically, the present invention uses silicon nanopowder, which has the above range because it removes residual carbon undergoing oxidation at less than 400 ° C. and generates only crystalline silicon carbide having excellent oxidation resistance. As a result, high temperature oxidation resistance can be obtained.

이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 설명한다.  그러나 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, preferred examples and comparative examples of the present invention will be described. However, the following examples are only preferred embodiments of the present invention and the present invention is not limited to the following examples.

실시예Example 1 One

중량평균분자량 3,000의 폴리페닐카보실란(polyphenylcarbosilane) 30g을 싸이클로핵산 100g에 녹여 폴리페닐카보실란 용액을 제조하였다.30g of polyphenylcarbosilane having a weight average molecular weight of 3,000 was dissolved in 100g of cyclonucleic acid to prepare a polyphenylcarbosilane solution.

제조된 폴리페닐카보실란 용액에 30㎚ 크기의 실리콘 나노 분말을 10g을 넣고 잘 분산시켰다. 함침할 30㎜ × 30㎜ × 10㎜ 크기의 카본 프리폼 표면을 에탄올로 세척한 후 80℃에서 30분간 건조하였다. 이를 딥코터를 이용하여 상기 실리콘 나노분말이 분산된 폴리페닐카보실란 용액 100cc에 5분간 함침시키고 시료를 1㎜/sec로 끌어올린 후 150℃에서 30분 동안 공기 중에 열경화시키고 아르곤 분위기 하에서 1400℃에서 60분간 열처리하여 결정성이 우수한 실리콘카바이드 기지상을 얻었다. 이러한 과정을 5회 반복하여 고밀도로 충전된 C/SiC 복합체를 얻었다. Into the prepared polyphenyl carbosilane solution 10g of silicon nanopowder having a size of 30nm was added and well dispersed. The surface of the carbon preform having a size of 30 mm × 30 mm × 10 mm to be impregnated was washed with ethanol and dried at 80 ° C. for 30 minutes. It was impregnated in 100cc of polyphenylcarbosilane solution in which the silicon nanopowder was dispersed using a dip coater for 5 minutes, the sample was pulled up to 1 mm / sec, and then thermally cured in air at 150 ° C. for 30 minutes, and then at 1400 ° C. under argon atmosphere. Heat treatment was performed for 60 minutes at to obtain a silicon carbide matrix with excellent crystallinity. This process was repeated five times to obtain a densely packed C / SiC composite.

실시예Example 2 2

중량평균분자량 3,000의 폴리페닐카보실란 30g을 싸이클로핵산 100g에 녹여 폴리페닐카보실란 용액을 제조하였다.30 g of polyphenyl carbosilane having a weight average molecular weight of 3,000 was dissolved in 100 g of cyclonucleic acid to prepare a polyphenyl carbosilane solution.

제조된 폴리페닐카보실란 용액에 30㎚ 크기의 실리콘 나노분말을 10g을 넣고 잘 분산시켰다. 함침할 30㎜ × 30㎜ × 10㎜ 크기의 카본 프리폼 표면을 에탄올 로 세척한 후 80℃에서 30분간 건조하였다. 이를 딥코터를 이용하여 상기 실리콘 나노분말이 분산된 폴리페닐카보실란 용액 100cc에 5분간 함침시키고 시료를 1㎜/sec로 끌어올린 후 150℃에서 30분 동안 공기 중에 열경화시키고 아르곤 분위기 하에서 1400℃에서 60분간 열처리하여 결정성이 우수한 실리콘카바이드 기지상을 얻었다. 이러한 과정을 10회 반복하여 고밀도로 충전된 C/SiC 복합체를 얻었다. 10 g of the silicon nanopowder having a size of 30 nm was added to the prepared polyphenylcarbosilane solution and well dispersed. The surface of the carbon preform having a size of 30 mm × 30 mm × 10 mm to be impregnated was washed with ethanol and dried at 80 ° C. for 30 minutes. It was impregnated in 100cc of polyphenylcarbosilane solution in which the silicon nanopowder was dispersed using a dip coater for 5 minutes, the sample was pulled up to 1 mm / sec, and then thermally cured in air at 150 ° C. for 30 minutes, and then at 1400 ° C. under argon atmosphere. Heat treatment was performed for 60 minutes at to obtain a silicon carbide matrix with excellent crystallinity. This process was repeated 10 times to obtain a densely packed C / SiC composite.

비교예Comparative example 1 One

중량평균분자량 3,000의 폴리페닐카보실란 30g을 싸이클로핵산 100g에 녹여 폴리페닐카보실란 용액을 제조하였다. 함침할 30㎜ × 30㎜ × 10㎜ 크기의 카본 프리폼 표면을 에탄올로 세척한 후 80℃에서 30분간 건조하였다. 이를 딥코터를 이용하여 상기 폴리페닐카보실란 용액 100cc에 5분간 함침시키고 시료를 1㎜/sec로 끌어올린 후 150℃에서 30분 동안 공기 중에 열경화시키고 아르곤 분위기 하에서 1400℃에서 60분간 열처리하여 비정질의 카본과 부분적으로 결정화된 실리콘카바이드 기지상을 얻었다. 이러한 과정을 5회 반복였으나 충전율은 70% 미만인 C/SiC 복합체를 얻을 수 있었다. 30 g of polyphenyl carbosilane having a weight average molecular weight of 3,000 was dissolved in 100 g of cyclonucleic acid to prepare a polyphenyl carbosilane solution. The surface of the carbon preform having a size of 30 mm × 30 mm × 10 mm to be impregnated was washed with ethanol and dried at 80 ° C. for 30 minutes. The polyphenylcarbosilane solution was impregnated with 100cc of the polyphenylcarbosilane solution for 5 minutes using a dip coater, and the sample was pulled up to 1 mm / sec, and then thermally cured in air at 150 ° C. for 30 minutes, and heat-treated at 1400 ° C. for 60 minutes in an argon atmosphere. Carbon and partially crystallized silicon carbide matrix phase were obtained. This process was repeated five times, but the C / SiC composite having a filling rate of less than 70% was obtained.

특성 평가Property evaluation

도 3은 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 실리콘카바이드 기지상을 측정한 투과전자현미경사진이다. 도 3에서 보는 바와 같이, 폴리카보실란과 실리콘 나노분말 혼합용액을 사용하여 함침 후 열경화 시키고 아르곤 분위기 하에서 1400℃에 서 60분간 열처리한 경우 결정성이 우수한 실리콘카바이드 기지상을 얻었음을 확인할 수 있었다. 3 is a transmission electron micrograph of the silicon carbide matrix phase prepared according to Example 1 of the present invention. As shown in FIG. 3, it was confirmed that a silicon carbide matrix phase having excellent crystallinity was obtained when heat-cured after impregnation using a polycarbosilane and silicon nanopowder mixed solution and heat-treated at 1400 ° C. for 60 minutes in an argon atmosphere.

도 4는 비교예 1에 따라 제조된 실리콘카바이드 기지상을 측정한 투과전자현미경사진이다. 도 4에서 보는 바와 같이 폴리카보실란 용액만을 사용하여 함침 후 열경화 시키고 아르곤 분위기 하에서 1400℃에서 60분간 열처리한 경우 실리콘카바이드 나노 결정들이 형성되고 있지만 대부분은 비정질의 SiC 기지상을 얻음을 확인 하였다. 4 is a transmission electron micrograph of the silicon carbide matrix phase prepared according to Comparative Example 1. As shown in FIG. 4, the silicon carbide nanocrystals were formed when heat-cured after impregnation using only a polycarbosilane solution and heat-treated at 1400 ° C. for 60 minutes in an argon atmosphere, but most of them obtained amorphous SiC matrix.

도 5는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 실리콘카바이드 기지상을 측정한 EDS(energy dispersive spectroscopy) 분석 결과이다. 도 5에서 보는 바와 같이 EDS로 성분 분석을 해본 결과 규소원자 대 탄소원자의 원소함량(at%) 비율이 1:1.2 정도로 정량적인 SiC가 만들어짐을 확인 할 수 있었다. 5 is an energy dispersive spectroscopy (EDS) analysis of the silicon carbide matrix phase prepared according to Example 1 of the present invention. As shown in Figure 5 as a result of the component analysis with EDS it was confirmed that the SiC is made quantitative element ratio (at%) of silicon atoms to carbon atoms of about 1: 1.2.

도 6은 비교예 1에 따라 제조된 실리콘카바이드 기지상을 측정한 EDS 분석 결과이다. 도 6에서 보는 바와 같이, EDS로 성분분석을 해본 결과 규소원자 대 탄소원자의 원소함량(at%) 비율이 1:3.3 정도로 과량의 카본이 존재함을 알 수 있었다. 6 is an EDS analysis result of measuring a silicon carbide matrix phase prepared according to Comparative Example 1. FIG. As shown in FIG. 6, when the component analysis was performed with EDS, it was found that an excessive carbon content was present in an element ratio (at%) of silicon atoms to carbon atoms of about 1: 3.3.

상기 물성평가결과, 본 발명의 실시예 1에서 제조된 실리콘 나노분말이 분산된 폴리페닐카보실란 용액으로 제조한 C/SiC 복합체의 기지상은 우수한 결정성를 나타내고 있음을 알 수 있으며, 폴리페닐카보실란 용액만을 사용한 비교예 1의 경우보다 높은 결정성을 나타내어 내산화성 및 내마모성이 증진된 재료임을 알 수 있다. 일반적으로 결정질 탄화규소/탄화규소(SiC/SiC) 복합체는 높은 열전도도, 우 수한 내식성 내마모성, 낮은 열팽창율 및 경량으로 인하여 항공우주 부품, 자동차 디스크브레이크, 차세대엔진부품, 열병합 발전용 가스터빈 부품 및 열교환기 등으로 응용하기 위하여 연구 개발이 진행되고 있다.As a result of the physical property evaluation, it can be seen that the matrix phase of the C / SiC composite prepared with the polyphenylcarbosilane solution in which the silicon nanopowder prepared in Example 1 of the present invention is dispersed shows excellent crystallinity, and the polyphenylcarbosilane solution It can be seen that the material exhibits higher crystallinity than that of Comparative Example 1 using only oxidized resistance and abrasion resistance. Generally, crystalline silicon carbide / silicon carbide (SiC / SiC) composites have aerospace components, automotive disc brakes, next-generation engine components, gas turbine components for cogeneration, due to their high thermal conductivity, excellent corrosion resistance, low thermal expansion and light weight. Research and development is in progress for applications such as heat exchangers.

본 발명의 단순한 변형 또는 변경은 모두 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다. All simple modifications or changes of the present invention can be easily carried out by those skilled in the art, and all such modifications or changes can be seen to be included in the scope of the present invention.

도 1은 일반적인 탄소/탄화규소(C/SiC) 복합체의 단면을 측정한 전자현미경사진이다. 1 is an electron micrograph of a cross section of a typical carbon / silicon carbide (C / SiC) composite.

도 2는 본 발명에 따른 폴리페닐카보실란의 구조를 개략적으로 도시한 것이다.Figure 2 schematically shows the structure of a polyphenylcarbosilane according to the present invention.

도 3은 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 실리콘카바이드 기지상을 측정한 투과전자현미경사진이다. 3 is a transmission electron micrograph of the silicon carbide matrix phase prepared according to Example 1 of the present invention.

도 4는 비교예 1에 따라 제조된 실리콘카바이드 기지상을 측정한 투과전자현미경사진이다. 4 is a transmission electron micrograph of the silicon carbide matrix phase prepared according to Comparative Example 1.

도 5는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 실리콘카바이드 기지상을 측정한 EDS(energy dispersive spectroscopy) 분석 결과이다. 5 is an energy dispersive spectroscopy (EDS) analysis of the silicon carbide matrix phase prepared according to Example 1 of the present invention.

도 6은 비교예 1에 따라 제조된 실리콘카바이드 기지상을 측정한 EDS 분석 결과이다. 6 is an EDS analysis result of measuring a silicon carbide matrix phase prepared according to Comparative Example 1. FIG.

Claims (7)

폴리카보실란, 평균입경이 20 내지 30㎚인 실리콘 나노분말 및 용매를 혼합하여 폴리카보실란 용액을 제조하는 단계(S1);Preparing a polycarbosilane solution by mixing polycarbosilane, a silicon nanopowder having an average particle diameter of 20 to 30 nm, and a solvent (S1); 상기 S1 단계 후 프리폼을 상기 폴리카보실란 용액에 함침하는 단계(S2);Impregnating the preform into the polycarbosilane solution after the step S1 (S2); 상기 S2 단계 후 함침한 프리폼을 150 내지 300℃에서 30분 내지 1시간 동안 열경화하는 불용화 단계(S3); 및 An insolubilization step (S3) of thermosetting the impregnated preform after the step S2 for 30 minutes to 1 hour at 150 to 300 ° C; And 상기 S3 단계 후 열경화한 프리폼을 1200 내지 1800℃에서 1 내지 3 시간 동안 열처리하는 소성 단계(S4);를 포함하고,And a calcining step (S4) of heat-treating the heat-formed preform at 1200 to 1800 ° C. for 1 to 3 hours after the step S3. 상기 폴리카보실란 용액은 폴리카보실란 20 내지 50중량%, 실리콘 나노분말 5 내지 20중량% 및 용매 30 내지 75중량%를 포함하는 실리콘카바이드의 제조방법. The polycarbosilane solution comprises 20 to 50% by weight of polycarbosilane, 5 to 20% by weight of silicon nanopowder and 30 to 75% by weight of a solvent. 제1항에 있어서, 상기 폴리카보실란은 폴리페닐카보실란인 실리콘카바이드의 제조방법. The method of claim 1, wherein the polycarbosilane is polyphenylcarbosilane. 제2항에 있어서, 상기 폴리페닐카보실란은 중량평균분자량이 2000 내지 6000인 실리콘카바이드의 제조방법. The method of claim 2, wherein the polyphenyl carbosilane has a weight average molecular weight of 2000 to 6000. 삭제delete 삭제delete 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따라 제조한 실리콘카바이드.Silicon carbide prepared according to any one of claims 1 to 3. 제6항에 있어서, 상기 실리콘카바이드는 규소원자 대 탄소원자의 원소함량(at%) 비율이 1:1 내지 1.3인 실리콘카바이드. 7. The silicon carbide according to claim 6, wherein the silicon carbide has an element content (at%) ratio of silicon atoms to carbon atoms of 1: 1 to 1.3.
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